突出煤层底板巷预抽及卸压抽放技术研究与应用

摘 要：为了有效解决平煤股份十矿己15-16-24110突出煤层掘进期间煤与瓦斯突出和回采期间瓦斯涌出问题，提出了在该工作面煤层底板中布置一条预抽及卸压巷道。通过对己组煤层瓦斯压力、瓦斯含量及底板巷内向采面中部打钻预抽范围进行分析，确立了最佳底板巷位置和穿层钻孔的抽放半径。瓦斯预抽卸压结果表明：该项技术有效地防治了己15-16-24110综采工作面掘进期间煤与瓦斯的突出，同时解决了该工作面瓦斯涌出上隅角超限问题，使工作面在生产高峰时，上隅角瓦斯浓度始终控制在0.5%左右，确保了工作面得安全回采。

关键词：瓦斯;预抽巷预抽;卸压;穿层钻孔

平煤股份位于平顶山矿区东部，矿井核定生产能力300万吨 /年。矿井主采丁、戊、己三组煤层， 1991年戊9-10煤层被鉴定为突出煤层，同时矿井被鉴定为突出矿井，己组被鉴定为突出煤层。历史上共发生突出48次，矿井绝对瓦斯涌出量为121.73m3/min，相对涌出量为32.00m3/t。矿井通风方式为分区抽出式，有效风量22689m3/min，有效风量率89%，矿井等积孔9m2。结合戊组煤层赋存条件，提出一种新型的瓦斯治理工程底板巷抽放技术，减少回采工作面瓦斯涌出量的同时保证底抽巷抽放瓦斯浓度，达到瓦斯发电低浓度利用的条件。在平煤集团治理瓦斯具有指导意义。

一、概况

己15-16-24110采面位于己四采区东翼第三阶段，西靠采区三条下山，东为十二矿井田边界，南邻己15-16-24090采空区，北部尚未开采。工作面埋深880～1039米，煤层厚度1.8～4.9米之间，平均厚度3.0米左右，倾角8°～23°。切眼斜长256米，有效走向785米，采高3.0米。己15-16煤层直接顶为2.0～4.6米的砂质泥岩，中间夹碳质泥岩一层，易破碎脱 ，其上为6～19米的灰色砂质泥岩，含己14煤层，老顶为大于18米的厚层状细～中粒砂岩;直接底为3.7～4.9米砂质泥岩，中间夹薄层细砂岩，其下为2.0～2.8米的己17煤层，再下为砂质泥岩含薄层状细砂岩及L1～L7灰岩。根据平顶山矿区煤层赋存地质条件和瓦斯突出特征、瓦斯涌出规律，在十矿己15-16―24110工作面进行底板巷预抽及卸压抽放技术应用研究，即在己15-16煤层底板沿煤层走向做一条岩石巷道，实施穿层钻孔，对工作面机巷进行预抽，预先消除工作面机巷的突出危险性，加快掘进速度;同时利用回采工作面的卸压作用，对己15-16―24110工作面前方及后方的卸压区瓦斯进行抽放。

二、底板抽放巷设计

（1）巷道开口：底抽巷施工开口于己四轨道下山轨22点前25米。（2）通风系统：巷道施工60米于抽2点前40米布置回风川与己四瓦专相连，形成独立的通风系统。（3）施工层位：巷道开口在己15煤层顶板，下山施工穿过己15-16和己17煤层后，巷顶距己17底6米施工，在施工过程中，向工作面前上方布置深30米的探孔，控制地质构造和距己17的准确层间距，防止误揭煤层。

向采面中部施工的钻孔：为减少采面中部预抽空白带，在底抽巷另一侧（靠近风巷侧）施工上山钻孔，在底抽巷内向工作面煤层打穿层钻孔抽放，同时在采面回采期间进行抽放，解决邻近层（己17煤层）和采空区瓦斯涌出。底抽巷钻孔布置方式为（见图一）：沿巷道走向，与巷道夹角60°，纵向布置一组3个钻孔，上、中、下布置，上孔仰角30°，中孔仰角25°，下孔仰角20°，每组钻孔间距8米，孔径75mm，孔深保持在60米以上（终孔到底抽巷以外53米）。

图一 底抽巷向采面施工钻孔示意图

三、底抽巷抽放钻孔设计与施工

（一）穿层钻孔预抽半径的测定。穿层钻孔预抽半径采用负压法进行测定。具体方法是：在底板抽放巷中，向机巷布置试验钻孔，由两个观测孔和一个抽放孔组成，先施工2个压力测定钻孔，2个压力测定钻孔间隔5m，钻孔直径75mm，钻孔深度65m，封孔深度8m。抽放孔位于两个观测孔之间，如图二所示。

图二 钻孔示意图

（二）测定操作步骤。①在巷道中选定位置，按照技术要求施工2个平行布置的压力测定钻孔。首先施工1#钻孔，孔径75mm，孔深65米，钻孔打完后用聚氨酯封孔，封孔深度8米;之后在距离1#观测孔5米处施工2#观测孔，参数同1#观测孔相同，封孔后用乳胶管将封孔管与U型水柱压差计连接，观测水柱变化。②在两个观测孔之间距离1#观测孔3米位置、，施工与两孔平行的试验钻孔，参数与观测孔相同，打完孔后立即封孔，在空口装上孔板并开始抽放，同时观测1#、2#观测钻孔的水柱变化。③在抽放钻孔并网抽放后，开始计时，之后每隔1h使用抽气筒抽取管内气体并测量浓度，同时观察煤气表流量数值并随时记录。当观测到1#和2#观测孔其中任意一个钻孔具有负压时，记录此时的时间，直到两个观测孔都具有负压时，即可停止观测。试验钻孔的观测时间不少于36小时，但在流量出现明显衰减后，可以提前终止测定。

（三）测定结果。钻孔预抽半径测定在24110底抽巷内进行，两个观测孔已于前一个班打完并封孔完毕，当班在两个观测孔之间打了一个抽放孔，观测钻孔U型水柱压差计处于正压，是因为钻孔内部瓦斯涌出形成一定压力所致，在没有对钻孔进行抽放时，两个观测孔的正压水柱值是缓慢上升的，从刚封孔时的0mmH2O逐渐上升到300mmH2O和350mmH2O。在抽放试验钻孔联网后，从观测结果来看，经历过36个小时的抽放，在钻孔抽放负压稳定的情况下，1#观测孔的压差计数值从300mmH2O下降到170mmH2O，说明1#观测孔受抽放试验钻孔的影响很小。而2#观测孔从初始的350mmH2O下降到20mmH2O，表明2#钻孔处于抽放试验钻孔的影响半径之内。从抽放试验钻孔的观测数据看，在抽放负压稳定的情况下，钻孔内瓦斯流量基本稳定，但抽放浓度下降很快。经过抽放以后，己组煤层36个小时内抽放半径可以达到2米左右。

四、底抽巷钻孔联网：

（1）底抽巷敷设一趟内径200mm抽放支管。控制机巷的预抽钻孔并入内径200mm抽放支管，待机巷掘进位置超过钻孔终孔位置后，钻孔甩掉停止抽放。（2）抽采面中部施工的钻孔也并入内径200mm抽放支管，钻孔全部施工完毕后，对所有单孔进行了一次全面检查，确认无漏气后，对底抽巷进行封闭。底抽巷抽放支管在己四轨道下山与300mm采区抽放主管路相连，由地面2号泵（额定流量250m3/min）进行抽放。

五、深孔松动爆破设计

在机巷掘进期间，还在迎头实施了深孔松动爆破，以提高预抽效果。

（一）爆破孔参数。（1）孔径的选择。爆破孔径越大，装药量越多，爆炸能量越大 根据现场机具 取D=42mm. 如图三

图三 爆破孔

控制孔孔径越大，对裂隙的形成和扩展越有利，受现场打钻设备和工艺安全等因素的限制，一般在75mm～150mm之间。 控制孔孔径一般取89mm。

（二）深孔松动爆破之前先进行排放钻孔并效果检验。在迎头先施工三个钻孔，孔径89mm，孔深10m，孔数8个，呈三排布置。

深孔爆破孔数3个，孔径42mm，孔深8m，布置在排放钻孔的中间位置（如图四所示）。

图四 巷道开孔位置

六、实验结果

在施工完排放钻孔后，如果直接开始掘进，实验前后巷道在正常掘进期间的瓦斯涌出量来看（采用2×30KW风机通风），每个循环掘进过程中的瓦斯浓度在0.6-0.7%之间，如果掘进速度过快，则可能到0.8%以上，造成巷道内断电，直接影响巷道的掘进速度，巷道的正规循环率只能达到20%左右。在执行深孔控制预裂爆破之后，正常掘进过程中的瓦斯浓度一直稳定在0.5%以下，并且能够有效的减少夹钻和喷孔等突出预兆，工作面的正规循环率达到25%以上，保证了工作面的正常接替。

七、预抽钻孔卸压规律

在巷道开口位置掘进到到预抽巷施工钻孔位置之前，巷道在掘进时，巷道在施工排放钻孔时，响煤炮、喷孔、夹钻现象时有发生，放炮掘进时，瓦斯浓度一直在0.7%左右。到预抽位置时，预抽巷内第一钻场内所打钻孔已经进行3个月的预抽，巷道进入预抽范围后，响煤炮、喷孔、夹钻现象基本消失，没有出现过效检参数超标，放炮后瓦斯浓度一直稳定在0.5%以下。

因此，控制机巷的抽放钻孔施工和抽放超前于机巷掘进施工3个月左右（进尺200米以上），保证有一定的预抽期，可以达到相应的预抽效果。

八、研究效果分析及结论

（一）机巷掘进防突效果分析。底板巷预抽在机巷掘进过程中表现出来的效果非常明显，在己15-16-24110机巷1050米煤巷长度内杜绝了煤与瓦斯突出事故;己15-16-24110机巷平均月进度77米，与严重突出工作面平均月进度50米的水平提高了54%;在己15-16-24110机巷掘进期间，经过预抽，工作面在掘进速度、瓦斯涌出量及突出危险性预测结果上与上一个阶段的己15-16-24090机巷对比如下：

（二）卸压抽放效果分析。在底抽巷预抽钻孔控制范围的机巷以及切眼下部，施工中均杜绝了煤与瓦斯突出，但在预抽范围以外，切眼上半部施工中于2007年3月3日发生一起突出事故，事故的发生也从反面充分验证了预抽巷防突治理效果。

（三）采面穿层抽放效果分析。（1）采面自机巷到以上120米（80架）范围内，煤层坚固性系数明显大于上部煤层，在采面执行措施期间，钻孔施工进度、异常出现频率、效检超标点分布等情况在此区段内明显与其他不同，夹钻、喷孔、超标基本没有出现。（2）采面回采初次来压后，抽放浓度明显增大，由10%以下，增大到40～60%，搭配其他抽放地点，保证了地面瓦斯发电三台机组的正常运转。

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